Разкриване на 140-годишна тайна във физиката

Превод на статия от автори от IBM Research.

Важен пробив във физиката ще ни позволи да изучаваме физическите характеристики на полупроводниците в много по-големи подробности. Това може да помогне за ускоряване на развитието на полупроводникова технология от следващо поколение.

Автори:
Оки Гунаван — Член на персонала, IBM Research
Дъг Бишоп - инженер по характеризиране, IBM Research

Полупроводниците са основните градивни елементи на днешната цифрова електронна ера, предоставяйки ни разнообразие от устройства, които са от полза за съвременния ни живот, като компютри, смартфони и други мобилни устройства. Подобренията във функционалността и производителността на полупроводниците също позволяват полупроводникови приложения от следващо поколение в изчисленията, сензорите и преобразуването на енергия. Изследователите отдавна се борят да преодолеят ограниченията в способността ни да разберем напълно електронните заряди в полупроводниковите устройства и усъвършенстваните полупроводникови материали, които възпрепятстват способността ни да вървим напред.

В ново проучване в сп природа Изследователско сътрудничество, водено от IBM Research, описва вълнуващ пробив в разрешаването на 140-годишна мистерия във физиката, която ще ни позволи да изучаваме физическите характеристики на полупроводниците в много по-големи подробности и ще позволи разработването на нови и подобрени полупроводникови материали.

За да разберем наистина физиката на полупроводниците, първо трябва да разберем основните свойства на носителите на заряд в материалите, независимо дали са отрицателни или положителни частици, тяхната скорост в приложено електрическо поле и колко плътно са опаковани в материала. Физикът Едуин Хол намери начин да определи тези свойства през 1879 г., когато откри, че магнитното поле ще отклони движението на електронните заряди в проводника и че количеството на отклонението може да бъде измерено като потенциалната разлика, перпендикулярна на насочения поток от заредени частици, както е показано на фигура 1а. Това напрежение, известно като напрежение на Хол, разкрива значителна информация за носителите на заряд в полупроводника, включително дали те са отрицателни електрони или положителни квазичастици, наречени „дупки“, колко бързо се движат в електрическо поле или тяхната „мобилност“ (µ ) и тяхната концентрация (n) вътре в полупроводника.

140-годишна мистерия

Десетилетия след откритието на Хол, изследователите също откриха, че могат да правят измервания на ефекта на Хол със светлина – експерименти, наречени фото-Хол, вижте Фигура 1b. В такива експерименти светлинното осветление генерира множество носители или двойки електрон-дупка в полупроводниците. За съжаление, нашето разбиране за основния ефект на Хол даде представа само за мнозинството (или мнозинството) носители на заряд. Изследователите не са успели да извлекат параметри от двете медии (основни и неосновни) едновременно. Такава информация е ключова за много приложения, свързани със светлината, като слънчеви панели и други оптоелектронни устройства.

Проучване на списание IBM Research природа разкрива една от дълго пазените тайни на ефекта на Хол. Изследователи от Корейския институт за напреднали науки и технологии (KAIST), Корейския изследователски институт по химични технологии (KRICT), Университета Дюк и IBM откриха нова формула и техника, която ни позволява едновременно да извличаме информация за основни и неосновни носители, като тяхната концентрация и мобилност, както и получаване на допълнителна информация за живота на носителя, дължината на дифузия и процеса на рекомбинация.

По-конкретно, в експеримент с фото-Хол и двата носителя допринасят за промени в проводимостта (σ) и коефициента на Хол (H, пропорционален на съотношението на напрежението на Хол към магнитното поле). Ключовите прозрения идват от измерването на проводимостта и коефициента на Хол като функция от интензитета на светлината. Скрита във формата на кривата на коефициента на проводимост на Хол (σ-H) показва фундаментално нова информация: разликата в мобилността на двата носителя. Както се обсъжда в статията, тази връзка може да бъде изразена елегантно:

$$дисплей$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$дисплей$$

Започвайки с известна плътност на мажоритарния носител от традиционно измерване на Хол на тъмно, можем да разкрием мобилността и плътността както на мнозинството, така и на малцинството на носителя като функция на интензитета на светлината. Екипът кръсти новия метод на измерване: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). С известен интензитет на светлинно осветяване, животът на носача може да се установи по подобен начин. Тази връзка и нейните решения са били скрити почти век и половина от откриването на ефекта на Хол.

Освен напредъка в това теоретично разбиране, напредъкът в експерименталните методи също е от решаващо значение за активирането на този нов метод. Методът изисква чисто измерване на сигнала на Хол, което може да бъде трудно за материали, при които сигналът на Хол е слаб (например поради ниска мобилност) или когато има допълнителни нежелани сигнали, както при силно светлинно излъчване. За да направите това, е необходимо да извършите измерване на Хол с помощта на осцилиращо магнитно поле. Точно както когато слушате радио, трябва да изберете честотата на желаната станция, като изхвърлите всички други честоти, които действат като шум. Методът CRPH отива една крачка напред и избира не само желаната честота, но и фазата на осцилиращото магнитно поле с помощта на метод, наречен синхронно наблюдение. Тази концепция за осцилиращо измерване на Хол е известна отдавна, но традиционният метод за използване на система от електромагнитни бобини за генериране на осцилиращо магнитно поле беше неефективен.

Предишно откритие

Както често се случва в науката, напредъкът в една област се движи от открития в друга. През 2015 г. IBM Research съобщи за неизвестен досега феномен във физиката, свързан с нов ефект на ограничаване на магнитното поле, наречен ефект на „камилска гърбица“, който се появява между две линии на напречни диполи, когато те надхвърлят критична дължина, както е показано на Фигура 2а. Ефектът е ключова характеристика, която позволява нов тип естествен магнитен капан, наречен капан с паралелна диполна линия (PDL капан), както е показано на Фигура 2b. Магнитният PDL капан може да се използва като нова платформа за различни сензорни приложения като тилтметър, сеизмометър (сензор за земетресение). Такива нови сензорни системи, съчетани с технологии за големи данни, биха могли да отворят много нови приложения и се изследват от екипа на IBM Research, разработващ платформа за анализ на големи данни, наречена IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), която съдържа изобилие от геопространствени данни и данни за интернет на нещата (IoT).

Изненадващо, същият PDL елемент има друго уникално приложение. Когато се завърти, той служи като идеална експериментална система за фото-Хол за получаване на еднопосочно и чисто хармонично трептене на магнитното поле (Фигура 2в). По-важното е, че системата осигурява достатъчно пространство, за да позволи осветяване на широка област от пробата, което е критично при фото-Хол експерименти.

Въздействие

Новият метод на фотохола, който разработихме, ни позволява да извличаме невероятно количество информация от полупроводниците. За разлика от само три параметъра, получени при класическото измерване на Хол, този нов метод дава до седем параметъра при всеки от тестваните интензитети на светлината. Това включва мобилността както на електрони, така и на дупки; концентрацията на техния носител под въздействието на светлината; живот на рекомбинация; и дифузионна дължина за електрони, дупки и амбиполярни типове. Всичко това може да се повтори N пъти (т.е. броят параметри на интензитета на светлината, използвани в експеримента).

Това ново откритие и технология ще помогнат за напредъка на полупроводниковия напредък както в съществуващите, така и в нововъзникващите технологии. Сега разполагаме със знанията и инструментите, необходими за извличане на физическите характеристики на полупроводниковите материали в много подробности. Например, това ще помогне за ускоряване на развитието на полупроводникови технологии от следващо поколение, като по-добри слънчеви панели, по-добри оптоелектронни устройства и нови материали и устройства за технологии за изкуствен интелект.

Оригинал статия, публикувана на 7 октомври 2019 г. в Блог на IBM Research.
превод: Николай Марин (НиколайМарин), главен технологичен директор на IBM в Русия и страните от ОНД.

Източник: www.habr.com